НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2279157 (13) C2

(51) МПК
H01M 2/16 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статус: по данным на 17.03.2008 - действует

Документ: В формате PDF
(21) Заявка: 2003131004/09
(22) Дата подачи заявки: 2003.10.21
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.10.21
(45) Опубликовано: 2006.06.27
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 166393 A1, 19.11.1964. RU 2050381 C1, 20.12.1995. RU 95108510 A1, 27.04.1997. RU 93008081 А, 10.03.1995. US 6274276 А, 14.08.2001. US 4137379 А, 30.01.1979.
(72) Автор(ы): Садовский Богдан Феодосиевич (RU); Будыка Александр Константинович (RU); Филатов Юрий Николаевич (RU); Захарьян Арам Арташесович (RU); Саакян Сурен Григорьевич (RU)
(73) Патентообладатель(и): ООО "Нанотехнологические материалы БАЛТИКА" (RU); Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова (RU)
Адрес для переписки: 197110, Санкт-Петербург, ул. Пионерская, 63, ООО "Нанотехнологические материалы БАЛТИКА"


(54) НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии. Предложен нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных химических источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, выполненный трехслойным, с поверхностной плотностью 26-30 г/см2 и диаметром пор не более 6 мкм. Предложен способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, включающий электроформование ультратонких волокон, прессование материала под давлением и обработку поверхностно-активным веществом. Полученный материал имеет высокую влаго- и щелочевпитываемость, низкое электросопротивление и высокую химическую стойкость, что является техническим результатом изобретения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии.

Известны пленочные сепараторы, содержащие эластомеры, выбранные из группы сополимеров акрилонитрила с бутадиен-стиролом, полиэфиров и группы поливинилиденфторида и его сополимеры, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, имеющие пористость 30-95% и диаметр пор 0,1-5 мкм (US 6274276, 14.08.2001).

Однако электросопротивление аккумулятора с такой пористой мембраной оказывается высоким.

Для повышений удельной объемной электрической емкости и снижения электрического сопротивления используются сепараторы, изготовленные из тонких полимерных волокон.

Так, например, известны материалы для сепараторов из волокон полистирола, полиолефина, поликарбоната с диаметром волокна 0,05-20 мкм и средним диаметром пор 0,5-15 мкм (US 4137379, 30.01.1979).

Известен также материал для сепараторов из ультратонких полипропиленовых волокон, где 10% волокон имеют диаметр меньше 1 мкм, а большинство волокон с диаметром меньше или равных 5 мкм, при этом пористость материала составляет около 90% (US 5962161, 05.10.1999).

Недостатком таких материалов является низкая стойкость к прорастанию дендритов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является материал для сепаратора химических источников тока, выполненный из перхлорвиниловых ультратонких волокон с диаметром порядка 1-7 мкм (Ю.Н.Филатов, Электроформование волокнистых материалов, М.: Нефть и газ, 1997 г., стр.199 и 278).

Наиболее близким к предложенному способу является способ изготовления известного материала, который заключается в прессовании волокнистого перхлорвинилового материала под давлением от 100 до 400 кг/см2 и обработка поверхностно-активным веществом типа ОП-7 или ОП-10 (RU 166393, 19.09.1964).

Недостатком этого материала является невысокая стойкость к прорастанию дендритов и недостаточная электропроводность, за счет малой щелочевпитываемости.

Задачей настоящего изобретения является разработка микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, обладающих повышенной стойкостью к прорастанию дендритов, увеличение щелочевпитываемости и уменьшение электросопротивления.

Поставленная задача решается описываемым нетканым пористым материалом для сепараторов химических источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, который выполнен трехслойным, внутренний слой из гидрофильных волокон с диаметром волокна 0,3-1,3 мкм, а наружные слои из гидрофильных волокон с диаметром 4-8 мкм, при этом поверхностная плотность материала составляет 26-30 г/м2.

Преимущественно материал имеет диаметр пор 6 мкм, щелочевпитываемость не менее 130%, впитываемость по воде не менее 1000%, электросопротивление не более 0,055 Ом/см 2, прочность на разрыв не менее 18 кгс/см2, относительное удлинение при рызрыве не менее 25%.

Поставленная задача решается также описываемым способом изготовления нетканого пористого материала для химических источников тока, включающий электроформование ультратонких волокон из раствора перхлорвиниловой смолы в органическом растворителе в присутствии поверхностно-активных веществ в прядильном растворе, материал изготавливают трехслойным, внутренний слой из волокон с диаметром 0,3-1,3 мкм, а наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, затем проводят прессование до толщины материала 40-60 мкм.

Предпочтительно прядильный раствор содержит органические растворители, выбранные из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси в количестве до 90% с добавками поверхностно-активных веществ, выбранных из ряда: алкиларилсульфокислоты или ее солей в количестве до 5%.

Ниже приведены примеры получения заявленного материала и его характеристики.

Пример

Приготавливают 14%-ный раствор перхлорвинила в дихлорэтане с добавкой 3% алкиларилсульфокислоты и 2% циклогексанона.

Полученный прядильный раствор подают к капиллярам различного гидродинамического сопротивления установки электроформования волокон и ведут процесс со следующими параметрами:
разность потенциалов 120 кВ
расстояние между электродами 30 см
объемный расход на один капилляр 3·10-3 см 3/с


Из гидрофильных волокон диаметром 0,9-1,1 мкм формируют внутренний слой с поверхностной плотностью 10 г/см2. Из гидрофильных волокон диаметром 4,0-5,0 мкм формируют проклеенные слои с поверхностной плотностью 9 г/см 2. При этом общая поверхностаная плотность материала составляет 28 г/см2.

Затем материал прессуют под давлением 300 кг/см2 при температуре 20°С до толщины 55 мкм и смачивают водным раствором поверхностно-активного вещества ОП-10 с концентрацией 5 г/л с последующей сушкой при нормальной температуре.

Полученный сепарационный материал типа ФПП-10СГ имеет следующие характеристики:
диаметр пор 5 мкм
впитываемость по воде 1100%
щелочевпитываемость 150%
электросопротивление 0,050 Ом·см2
прочность на разрыв 20 кгс/см 2
относительное удлинение при разрыве 28%


Аналогично представленному выше примеру получены материалы во всем интервале заявленных параметров.

Использование полученных сепарационных материалов в щелочных аккумуляторах обеспечивает до 600 циклов «заряд-разряд» до замыкания. Имеют щелочевпитываемость в 1,5 раза выше, а электросопротивление в 2 раза ниже, чем у прототипа.


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, отличающийся тем, что он выполнен трехслойным: внутренний состоит из гидрофилизированных волокон с диаметром 0,3÷1,3 мкм, а наружные слои - из гидрофилизированных проклеенных между собой волокон с диаметром 4÷8 мкм, при этом поверхностная плотность составляет 26÷30 г/см2 , а диаметр пор не более 6 мкм.

2. Нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет впитываемость по воде не менее 1000%, щелочевпитываемость не менее 130%, электросопротивление не более 0,055 Ом.см2, прочность на разрыв не менее 18 кгс/см, относительное удлинение при разрыве не менее 25%.

3. Способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, включающий формование ультратонких волокон из раствора полимера в органическом растворителе, прессование материала под давлением и обработку поверхностно-активным веществом, отличающийся тем, что электроформование волокон проводят из раствора полисульфона в органическом растворителе, материал изготавливают трехслойным: внутренний слой - из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои - из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, прессование осуществляют до толщины материала 40-60 мкм.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что формование ведут из раствора полисульфона в органическом растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси.